JPS59125675A - 発光受光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は、発光受光トランジスタを２個以上用いて一
体化された光学的論理集積化回路装置を構成する発光受
光装置に関する。

（従来技術） 従来、半導体装置を用いた光学的論理回路は半導体レー
ザを用いた高度な技術を用いたものが考えられていた。

それらの装置においては、半導体レーザ特有の制御の困
難性があり、また製作法の困難性、使用法の困難性、集
積化の困難性など種々の難点があった。

また、他の方法で、ｐ　ｎ　ｐ　ｎ　型角性抵抗受光発
光装置を用いたものが考えられたが、その％性の制御、
使用法の困難性などの欠点があった。

（発明の目的） この発明は、上記従来の欠点を除去するためになされた
もので、簡易に構成でき、制御件に優れ、使用条件範囲
が広く、安定な動作を有する入出力光分離可能な光論理
組積化回路装置とすることのできる発光受光装置を提供
することを目的とする。

（発明の構成） この発明の発光受光装置は、導光路を通して入射された
入力信号光の光量に応じて第１の発光受光トランジスタ
をオンまたはオフのスイッチング動作をさせ、この第１
の発光受光トランジスタのスイッチング動作に応動して
第２の発光受光トランジスタをスイッチング動作させる
とともに、そのオン時に出力信号光を出射して導光路を
通して取シ出すようにしたものである。

（実施例） 以下、この発明の発光受光装置の実施例について図面に
基づき説明する。第１図（ａ）はその第１の実施例の模
式図である。その構成は電気的要素と光学的要素をとも
に含んでいる。

この第１図（ａ）のＱｌ、Ｇ２は発光受光トランジスタ
であり、化合物牛導体たとえばＧ　ａ　Ａ　ｓ　、　Ａ
ｔＧａＡｓ　ｒ工ｎＰ　、　ＩｎＧａＡｓＰなどｍ−ｖ
族化合物半導体で作られておシ、電気的には通常のパイ
ポーラトランジスタと同様な電流増巾作用を有しておシ
、光学的には広い波長範囲に亘る受光感度をもつ光重、
変換機能を有し、かつ比較的狭い波長範囲の発光をする
電流−光変換機能を有するトランジスタである。

また、大電流を通電するとペース領域付近でレーザ発元
金する場合もある。

図中電気回路は直結形トランジスタ論理回路（Ｄ、ＣＴ
Ｌ）を構成しである。したがってこの回路は電気的には
通常行われているような変形もある。

Ａ１はコレクタ側バイアス端子、Ａ２はエミッタ側グラ
ンド端子である。Ｂ１はペース側バイアス端子、Ｂ２は
エミッタ７オロワ亀２気出力あるいはモニタ端子であり
、これらの端子は不可欠の端子ではないが、あった方が
制御性や安定性を考えて他の伺加的箪気的累子を接続す
る便宜を有する。

また、Ｒ１，Ｒ２は電気抵抗であり、これらの抵抗はそ
れぞれ発光受光トランジスタＱｌ、Ｑ２の電気的動作条
件を決定するためのものである。

さらに、他の抵抗やダイオードやトランジスタを付加し
た回路変形は簡単化のため省略する。

上記発光受光トランジスタＱｌの光の導入部２２（第１
図（ｂ）参照）Ｋは導光路Ｆｌ−Ｆ３を通して九が入射
するようになっておシ、発光受光トランジスタＱ２の光
の出射部２３（第１図（ｂ）参照）からｔＪ３射した光
は導光路Ｆ４に導くようになっている。

発光受光トランジスタＱｌのベースはペース側バイアス
端子Ｂ１に接続されておシ、また、エミッタはエミッタ
側グランド端子Ａ２に接続されている。

コレクタは発光受光トランジスタＱ２のベースに接続さ
れている。この発光受光トランジスタＱ２のベースは抵
抗＆ｆ介してコレクタ側バイアス端子Ａ！に接続されて
いる。このコレクタ側バイアス端子Ａ１には発光受光ト
ランジスタりのコレクタも接続されている。

発光受光トランジスタＱ２のエミッタは抵抗＆に介して
エミッタ側グランド端子Ａ２に接続されているとともに
、エミッタフォロワ電気出力あるいはモニタ端子Ｂ２に
接続されている。

一方、Ｆｌ　、Ｆｔ　、Ｆｓ　、　Ｆ４は光結合用の導
光路ファイバで、たとえば光学ガラスや透明樹脂などで
構成される。各導光路Ｆｌ〜Ｆ３の一端は入射光口■１
〜■３に対向しており、その各他端は上記発光受光トラ
ンジスタＱｌの光の導入部２２に対向している。

また、導光路Ｆ４の一端は発光受光トランジスタＱ２の
光の出射部２３に対向しており、その他端は出力出射光
口■４に対向している。

各導光路Ｆｌ−Ｆ４には、それぞれ光学フィルタ０１〜
Ｇ４が設けられている。これらの光学フィルタ０１〜Ｇ
４はある波長領域のみ低減衰量で通過させ、他の波長領
域では高減衰量で通過′（１１−阻止するもので、干渉
フィルタ、回折格子、光学ガラスフィルタなどで実現可
能のものである。なお、光学フィルタ０１〜Ｇ４は不可
決のものではない。

Ｃは発光受光トランジスタＱｘ、Ｃｂ間を互に光学的に
絶縁分離させるだめの遮プ′を部で、たとえば光学的吸
収拐、たとえば黒色樹脂や液体、粉末、黒色固体などの
絶縁体で構成し得るものである。

次に、第１図（ａ）に示す受光発光装置の動作例ついて
説明する。いま、波長λ１．λ２．λ３の信号光がそれ
ぞれ入射光口１１＋Ｉ２＋Ｉ３　より入射するとし、光
学フィルタＧｌ　ｌＧ２１Ｇ３と導光路Ｆ’＋　ｒ　Ｆ
２　＋Ｆ３を通過し、波長λｌ、λ２．λ３の信号光は
論理信号光として発光受光トランジスタＱｌに入射する
。

これによシ、発光受光トランジスタＱｌがオンとなって
、そのコレクタ電流が発光受光トランジスタＱ２のペー
スに流れ、この発光受光トランジスタＱ２がオンとなっ
て、出射部２３よシ出力信号光全発住する。このトラン
ジスタＱ２から発光した波長λ４の出力信号光は導光路
Ｆ４および光学フィルタ０４を通υ、出力出射ロエ４よ
多出力光として出射する。

なお、波長λ１〜λ４は″はぼ（Ｍ−の波長の場合もあ
る。

また、出力信号光は１個たとえば出力出射口■４のみか
ら出射する場合もあるし、才だ同時に複数個の導光路を
第３．第４の発光受光トランジスタに接続して同時に複
数個の出力光を得ることもてきるが簡単化のため省略し
ておく。

発光受光トランジスタＱ１とＱ２は電気的スイッナ回路
を構成している。したがって入射光口ＩＩ　＋Ｉ２．Ｉ
３　よシ入射するｔ量の和が小さい場合には、発光受光
トランジスタＱｌがオン状態となシ、コレクタ側バイア
ス端子Ａ１よシ抵抗Ｒ１を通り、発光受光トランジスタ
Ｑ２のペース電流が供給され、発光受光トランジスタＱ
２がオン状態となり、出力出射光口■４より出力光が芽
を出される。

次に、入射光口ＩＩ、Ｉ２．Ｉ３より入射きれる入力信
号の何れか、またはそれらの和が大きくなる場合には、
発光受光トランジスタＱ！がオン、発九受ｆｆｅ）ラン
ソスタＱ２がオフとなる。したがって、この発光受光ト
ランジスタＱ２が発光せず、消光状態となる。

以上のことから、入射光口１１．Ｉ２．Ｉ３よシの入力
光信号と出力出射ロエ４よジの出力信号光とは光量の大
小によりｒＨＪおよびｒＬＪレベルとするとＬ−ＮＡＮ
Ｄ、Ｈ−ＮＯＲの論理機能を有していることになる。

また、ペース側バイアス端子Ｂｌから電気的バイアス信
号を用いてスイッチングレベルの設ｇ　ｔｚ　変えるこ
とができる。

第１図（ｂ）は第１図（ａ）の模式図に対応する具体的
構成を示す横断面図である。この第１図（ｂ）の構成例
では抵抗Ｒ１、Ｒ２は外部接続として示されていないが
、この第１図（ｂ）中に示されている化合物半導体基板
１９の内部または上部層の化合物半導体層１１〜２１中
に不純物拡散やイオン注入法などを用いて単一基板内に
構成し得る。

また、純抵抗以外に等測的に抵抗であればよいので、ト
ランジスタやダイオードなどを用いて代用することも可
能であるが、本質的要件ではないので、その具体例は簡
略化のため詳述を省いた。

上記化合物半導体層１１〜２１１−１：発光受光トラン
ジスタＱ１．Ｑ２を構成している。また、絶縁性の化合
物半導体基板１９はたとえば、ＧａＡｓやＩｎＰで作成
されて、その上にＮＰＮ発光受光トランジスタＱｌ、Ｑ
２を同時に単一基板上に構成している。

化合物半導体基板１９の上に各発光受光トランジスタＱ
ｌ、Ｑ２のコレクタ部を構成する化合物半導体層１４，
１８、さらにその上にペース部となる化合物半導体層１
３．１７、エミッタ部をなす化合物半導体層１２，１６
、エミッタ電極を良好なオーミック接続できるようにす
るためのコンタクト層としての化合物半導体層１１．１
５をエビクキシャルに成長させる。

次に、ペース電極を上部より取り出すためのベース層と
同じＰ（またはＰＮＰ　）ランジスタの場合はｎ）形の
不純物を拡散あるいはイオン注入法などを用いて変質さ
せた化合物半導体層２０　、２１をベース層としての化
合物半導体層１３．１７まで達するよう形成する。

その後、エミッタ部の一部を化学的捷たは物理的メサエ
ッチングによシ取ジ除くか、あるいはイオン注入法など
を用いた絶縁化により、エミッタペース間の一部絶縁化
とベース層への光の導入部２２または射出部２３を形成
する。

したがって、この部分は単に真空や気体であってもよい
が、望捷しくは各入出力（８号光の波長において透明で
あってかつできる限シ半導体や導光路に近い屈折率を有
する樹脂や液体や固体で構成されることである。

その後、を元友光トランジスタＱｌ、Ｑ２のコレクタ電
極を設けるためのエツチングおＪ：　び茫ｉｔ党トラン
ジスタＱｌ、Ｑ２を互に電気的絶縁を行うためのエツチ
ングを行う。

その後、各層のオーミック電極を蒸着法、メッキ法、シ
ンタ法などを用いて付加する。

一般には、エミツタ層としての化合物半導体層１２．１
６はベース層としての化合物半導体層１３゜１７Ｊ：Ｊ
大きなエネルギャップ゛を有するこトカ望ましく、これ
によってエミッタからの小数キャリアの注入効率を向上
させ得る。

たとえば、ベース層としての化合物半導体層１３゜１７
がＧａＡｓまたはＩｎＰで作られた場合、エミツタ層と
しての化合物半導体層１２．１６にはそれぞれＡｔＧａ
ＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰ　などが用いられるなどであ
る。

また、同時にこのように行うとベース層で吸収されるべ
き光の波長に対してエミツタ層は光学的に透明になし得
て、より光電変換効率を高めることが可能となる。

エミッタコンタクト層としての化合物半導体層１１．１
５は本質的忙は不要であるが、エミツタ層としての化合
物半導体層１２　、１．６に直接オーミック電極がとシ
難い場合の補助的な層として用いられるものである。

ベース層としての化合物半導体＃ｉ１３，１７の組成は
一般には同一組成て同面に作成されるのが通例であるが
、入出力信号光に対づる波長慣性を・種々変更したい場
合には異なるものとするように作成させる。

これは、たとえば、選択エピタキシャル成長法を用いて
母材結晶の組成を変える方法や、同−組成結晶全成長後
不純物を選択的に拡散あるいはイオン注入法を用いで髪
質させることによって達成可能である。

オだ、このベース層は発光受光トランジスタＱ＋　＋Ｑ
２の電気的お・よび光学的ｑ＃性に特に草要な作用を行
う層であυ、ＩＩＩ　−Ｖ族化＠物半導体に対しては％
ＫＰＩ７Ｍ元素を不純物として用いると、特に望ましい
特性が屡々得られる。

すなわち、少数キャリア拡散長が長く、発光あるいは受
光の変換効率が高い特性か得られる。

また、図中の遮光部Ｃの部分は発光受光トランジスタＱ
ｌ、Ｑ２および等光路Ｆ＋　−Ｆ４１７ｊＪ相互の光学
的および電気的絶縁を行うための物質で、前述の相料に
よって構成されるものである。これによって、入出力間
の分離と同時に各発光受光トランジスタの誤動作を避け
ることが可能となる。

１だ、図中には導光路Ｆｌ−Ｆ４はすべて上部よシ取り
出す構造を示しているが、化合物半導体基板Ｊ９の下方
部に取フ付けることも可能であること、あるいけ特にレ
ーザ発光させる場合には横方向に出力取り出し用の梼光
路Ｆ４’ｆｒ−取シ付けることが望せしい。

遮光部Ｃけ半導体部の上部のみ付加しているがよｐ完全
な光学的遮蔽を行うために下方部および横方向にも付加
する方が望ましい。

なお、光学フィルタＧ５−Ｇ４は簡略化のため外部接続
として省略した。

第２図（ａ）、第２図（ｂ）は第１図（ａ）の構成例に
対する部分的に変形した実施例の模式図である。第２図
（ａ）　Ｆｉ第１図（ａ）における発光受光トランジス
タＱｔ　ｒＱ２の一部または全部をダーリントン接続さ
せることによって大なる増巾率と入力インピーダンスを
得る形式（Ｑｉ、Ｑ’ｉ）に変えた場合の実施例である
。

１′！２図（ｂ）は＠１図（ａ）における発光受光トラ
ンジスタＱｌ、Ｑ２のペースコレクタ間にダイオードＤ
ｊを付加した場合の他の実施例である。

このダイオードＤｉハシヨツトキーパリアダイオードあ
るいけトランジスタのペースコレクタ川）の順方向電圧
降下よシ／」・さい順方同電圧降下を有する通常のｐ　
１１接合ダイオード、たとえばペースコレクタの構成態
別よりよシ小さなエネルギーギ１′ツブを有する半導体
材料を用いたダイオードで構成される。

これによって、発光受光トランジスタの過大なペース駆
動電流の流入がなくなｐ、過大な少数キャリア注入が減
少し、蓄積効果によるスイッチング時ｍ１遅れが蓄しく
短かく々る利点を生ずる。

第２図（ａ）と第２図（ｂ）とは互に独立の考え方を有
するものであり、したがって、これらは糸目み合わせて
用いてもよい。具体的な構成のための構造図は簡易化の
ために省略する。

第３図は第１図（ａ）の実施例全変形した他の実施例の
模式図である。この実施例では、第１図（ａ）における
発光受光トランジスタＱｌをＱｌｉ　＋　Ｑｉ２　ｒ　
Ｑｉ３なる３個の発光受光トランジスタに置きかえた形
式と考えられる。それに対応して、入力信号光用の導光
路Ｆ】ｒ　Ｆ２　＋　Ｆ３がそれぞれ付加されている。

他の構成はほぼ第１図（ａ）と同様である。

この場合の利点は入力信号光の波長が異なる場合、それ
ぞれの波長において最も良い感度を有する発光受光トラ
ンジスタ全対応させ得ること、入力信号光回路間の光の
相互作用を減ぜられること、受光感度を高められること
などの利点を有する。

第４図は第１図（ＢＣの実施例を変形した他の実施例の
模式図である。この場合は入力用の発光受光トランジス
タ（ｈのエミッタフォロワに出力用の発光受光トランジ
スタＱ２’に用いていて、Ｌ−ＡＮＤ。

Ｈ−ＯＲの論理機能を果すことができる。他の事項は第
１図（ａ）の実施例−場合と同様であるから詳述は避け
る。

なお、第１図（ａ）、第３図および第４図の各実施例で
は、入力信号部は３個、出力信号部は１個のみ図示した
が、この数はこれに限定されるものではない。

以上説明したように、各実施例においては、発光受光ト
ランジスタの能動素子か鶏１気的光学的に多機能な特性
ｆ：：有するので、比較的簡単な回路で単純な構成によ
り同一基板上に多数個構成ｒＪＪ　Ｎ？である。

才た、電気的制御性も容易に得られる利点をも有すると
ともに、光学的な入出力信号であるため電気的には他の
回路と全く絶縁した状襲で動作可能であシ、その独立性
および制御性に大きな利点を有する。

したがって、これらの装置は並列的および直列的接続も
可能であり、かつ同一平面上に多数個集積化できる。

さらに、前記実施例はｎｐｎ型発光発光受光トランジス
タいた例のみが示さｎているが、ｐｎｐ型でも同様に構
成実施できることは容易に考えられるので省略した。

（発明の効果） 以上のように、この発明の発光受光装置によれば、導光
路を通して入射された入力信号光の光景に応じて第１の
発光受光トランジスタをオン寸たはオフのスイッチング
動作をさせ、この第１の発光受光トランジスタと光学的
に分離し、かつこの第１の発光受光トランジスタのスイ
ッチング動作に応動して第２の発光受光トランジスタ全
スイッチング動作させるとともに、そのオン時に出力信
号光を出射して導光路全通して取シ出すようにしたので
、簡易にして多機能性かつ制御性を有する光学釣元論理
回路装置としての機能を呈することができる。

これにともない、他の光学的な比較器や遅延回路、光掃
引回路、光センサ、ディスプレイ回路、混合、増巾発振
回路などの諸装置へ広範囲に応用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はこの発明の発光受光装置の一実施例の構
成を示す模式図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の発光受
光装置の構造横断面図、第２図（ａ）はこの発明の発光
受光装置における二つの発つ゛０受光トランジスタをダ
ーリントン接続した場合の部分的な模式図、第２図（ｂ
）は同上発光受光装置におけを発光受光トランジスタに
１＠方向電圧降下の小はいダイオードをペース・コレク
タ間にクランプ接続し／こ功゛２合の模式図、第３図お
よび８１１！、４図はそれぞれこの発明の発光受光装置
のさらに異なる実施例の模式図である。 Ｑ＋　ｌＱ２１ＱＩＩ〜Ｑ１３　＋　Ｑｉ　＋　Ｑ’ｉ
・・・発光受光トランジスタ、Ｆｌ−Ｆ４・・・導光路
、■１〜■３・・・入射光口、■４・・・出力出射口、
Ｃ・・・遮光部、０１〜Ｇ４・・・光学フィルタ、１１
〜２１・・・化合物半４体層、１９・・・化合物半導体
基板、２２・・・光の導入口、２３・・・九の射出部。 特許出願人　　沖？ｂ、気工業株式会社第２　図（ａ）
　　　　　　第　、′）図（ｂ）第７１因 「゛・、。 手続補正書 昭和５＞１年り０月２８日 特許庁長官若杉和夫　殿 １、事件の表示 昭和５８年　特　許　願第　５００　　　号２、発明の
名称 発光受光装置 ３、補正をする者 事件との関係　　　　　特　許　出願人（０２９）沖電
気工業株式会社 ４、代理人 ５、補正命令の日付　　昭和　　年　　月　　１１（自
発）６、補正の対象 明細書の発明の詳細な説明の欄 龜 １）明細書５頁７行「Ｒ２」を「Ｒ１」と訂正する。 ２）同６頁ｌＯ行「不可決」を「不可欠」と訂正する。 ３）同７頁２行および３行「そのコレクタ電流・・・・
・ベースに流れ、この」を削除する。 ４）同７頁４行１オン」を「オフ」と訂正する。 ５）同７頁５行「する。この」を「しなくなる。。 入射光のない場合この」と訂正する。 ６）同１４頁１６行「蓄しく」を「著しく」と訂正する
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 論理信号光としての形態をなす入力信号光を導く第１の
   導光路と、この第１の導光路を通して入射された上記入
   力信号光の光量に応じてオン、オフのスイッチング動作
   を行なう第１の発光受光トランジスタと、この第１の発
   光受光トランジスタのスイッチング動作に応動してスイ
   ッチング動作全行ないかつオン時に論理信号光としての
   形態をなす出力信号光を出射する第２の発光受光トラン
   ジスタと、この第２の発光受光トランジスタより出射書
   れた出力信号を導き出す第２の導光路と、置。